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GRL:西藏普兰蛇绿岩中“石榴石”二辉橄榄岩 ——深部大洋岩石圈地幔剥露证据
2020-01-17      
  经典的蛇绿岩成因模型认为,蛇绿岩代表了形成于不同扩张速率洋脊的古大洋岩石圈残片,其地幔单元岩石主要为来源于浅部(15~20 km)大洋岩石圈地幔的斜长石/尖晶石相橄榄岩。然而,近十几年来,学者们从全球多个地区(中国西藏、俄罗斯极地乌拉尔等)的蛇绿岩地幔橄榄岩/铬铁矿中陆续发现了金刚石等不寻常矿物组合,极大地挑战了传统的蛇绿岩成因模型以及现今大洋岩石圈的认知。因此,厘定这些含金刚石型蛇绿岩地幔橄榄岩的成因对于丰富蛇绿岩成因认识、建立现今大洋岩石圈的类比模型、约束“蛇绿岩型”金刚石的成因具有重要意义。 
  中科院青藏高原研究所、青藏高原地球科學卓越創新中心史仁燈研究員及其合作者龔小晗博士(現爲中國地質大學(北京)博士後)、中國地質大學(北京)許繼峰教授等,以西藏普蘭蛇綠岩中含輝石-尖晶石後成合晶體的二輝橄榄岩爲研究對象,通過系統的岩石學、礦物學與地球化學工作,首次證實這些二輝橄榄岩由早期石榴石相橄榄岩轉變而來。
图1:(a-d) 西藏普兰二辉橄榄岩中的辉石-尖晶石后成合晶体。(e-f) 后成合晶体与寄主橄榄岩中的辉石稀土元素特征,相较于寄主橄榄岩中的辉石颗粒,部分后成合晶体中的辉石表现出更高的重稀土含量和更显著的中稀土与重稀土之间的分异,较好的保留了早期地幔熔融残留相石榴石的微量元素特征。
  這些二輝橄榄岩整體具有相對飽滿的全岩與礦物成分,礦物微量元素模擬計算表明,它們經曆了兩階段的部分熔融,即早期低程度的(4~6%)石榴石橄榄岩穩定區熔融與隨後同等程度的尖晶石橄榄岩穩定區熔融。進一步的礦物學分析表明,盡管後成合晶體中的礦物顆粒與寄主橄榄岩中的礦物具有相一致的主量元素成分,但在礦物微量成分上,相較于寄主岩石中的輝石,少量後成合晶體中的輝石顆粒表現出更高的重稀土含量以及更顯著的中稀土與重稀土之間的分異(圖1),與典型的地幔熔融殘留相石榴石的成分特點極爲相似。本研究嘗試利用後成合晶體中的礦物成分重建了“原始”礦物的化學成分,結果顯示:重建的礦物具有與地幔熔融殘留相石榴石極爲一致的主、微量元素成分。這些證據一致表明普蘭二輝橄榄岩爲早期石榴石相橄榄岩的退變産物。 
  P-T计算表明,这些早期石榴石相橄榄岩形成/稳定的压力约在2.5~2.8 GPa, 对应的地幔深度约为85~100 km(图2),这个深度比传统认为蛇绿岩地幔橄榄岩形成深度(15~20km)要深很多,更接近于成熟的(>60 m.y.)大洋岩石圈的底部或者洋底高原岩石圈的下部位置。结合岩石地球化学显著的不均一性以及金刚石等不寻常矿物组合,提出普兰地幔橄榄岩由不同深度的岩石圈地幔构成,包括新增生的弧前岩石圈、成熟的大洋岩石圈或洋底高原岩石圈地幔。它们在俯冲板片回撤过程中通过俯冲隧道在不同地幔深度快速向上剥露并随机混合,最终可能通过伸展拆离断层剥露至海底。 
圖2:普蘭二輝橄榄岩的剝露P-T軌迹(紅線)。不同顔色的橢圓代表了不同的剝露階段,紅色爲早期石榴石橄榄岩穩定區,深灰色爲深部尖晶石橄榄岩穩定區,淺灰色爲淺部尖晶石橄榄岩穩定區。
  粉色五角星及虛線代表了現今大洋俯沖帶含石榴石橄榄岩的剝露軌迹。不同顔色方塊代表了不同學者提出的‘蛇綠岩型’金剛石可能的形成P-T條件
  該研究有以下幾點重要意義與啓示:
  1)縫合帶蛇綠岩往往表現出多樣的洋殼成因類型,本研究首次在碰撞型造山帶內的蛇綠岩中識別出代表深部大洋岩石圈地幔的“石榴石”橄榄岩,因而進一步表明蛇綠岩地幔單元岩石也可具有多樣的成因與來源。
  2)目前,世界範圍內可供研究大洋俯沖帶內深部岩石圈地幔岩石剝露機制的案例十分稀缺,本研究爲深入研究這一問題提供了新的案例和理想的窗口。
  3) 迄今为止,关于“蛇绿岩型”金刚石的成因及形成深度尚存巨大争议。本研究揭示的普兰二辉橄榄岩早先形成深度(约85~100 km)与自然成因的金刚石的最小稳定深度(约120 km)较为接近,结合普兰地幔橄榄岩成因与来源的复杂性,表明浅部上地幔来源的金刚石是可能的。
  该成果近期以题为““Garnet” lherzolites in the Purang ophiolite, Tibet: Evidence for exhumation of deep oceanic lithospheric mantle”发表在国际地学期刊 Geophysical Research Letters上。本研究得到国家自然科学基金项目(41672054, 41802046, 41972052)与“第二次青藏高原综合科学考察研究”专项(2019QZKK0801)的联合资助。
  全文链接:Gong, X. H., Shi, R. D.,* Xu, J. F.,* Huang, Q. S., Huang, X. X., & Su, B. X., 2020. “Garnet” lherzolites in the Purang ophiolite, Tibet: Evidence for exhumation of deep oceanic lithospheric mantle. Geophysical Research Letters. https://doi.org/10.1029/2019GL086101.
 
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